دمای هسته زمین چقدر است و دانشمندان چگونه آن را محاسبه کردهاند؟
زومیت: اگر به اعماق زمین سفر کنیم، با محیطی مواجه می شویم که فشار و دمای آن به حدی زیاد است که فناوری های امروزی نمی توانند مستقیماً در برابر آن مقاومت کنند. در مرکز زمین، هسته ای بسیار داغ و متراکم وجود دارد که از دو قسمت بیرونی مایع و درونی جامد تشکیل شده است و نقش مهمی در میدان مغناطیسی و حیات سیاره دارد.
دمای هسته زمین به طور مستقیم اندازه گیری نشده است، اما دانشمندان با روش های غیرمستقیم آن را در حدود 5000 تا بیش از 5500 درجه سانتیگراد تخمین می زنند. این تخمین ها بر اساس امواج لرزه ای، آزمایش روی آهن در فشارهای بسیار بالا و مطالعه ترکیب شهاب سنگ ها است.
فشار بسیار زیاد اعماق زمین باعث می شود با وجود دمای بالا، هسته داخلی جامد و هسته بیرونی مایع شود. گرمای داخلی زمین علاوه بر کمک به ایجاد میدان مغناطیسی، نقش اساسی در شکل گیری زمین و تداوم فرآیندهای زمین شناسی و حیات بر روی این سیاره دارد.
اگر بتوانید به اعماق زمین سفر کنید، با محیطی مواجه خواهید شد که فشار و دمای آن به حدی زیاد است که تقریباً هیچ فناوری امروزی نمی تواند آن را تحمل کند. در مرکز سیاره ما یک هسته فوق العاده داغ و متراکم وجود دارد و این قسمت نقش مهمی در شکل گیری میدان مغناطیسی زمین، فعالیت های زمین شناسی و حتی امکان حیات در این سیاره دارد. اما هسته زمین دقیقا چقدر داغ است و دانشمندان چگونه دمای آن را بدون دسترسی مستقیم به آن تخمین می زنند؟
زمین حدود 4.5 میلیارد سال پیش شکل گرفت. در آن زمان سیاره جوان ما توده عظیمی از سنگ مذاب بود. با گذشت زمان، عناصر سنگینتری مانند آهن و نیکل به دلیل نیروی گرانش به مرکز زمین فرو رفتند و هسته اولیه سیاره را تشکیل دادند، در حالی که مواد سبکتر در لایههای بالایی باقی ماندند.
امروزه هسته زمین هنوز ساختاری بسیار داغ و متراکم دارد و در اعماق سیاره پنهان است. این هسته از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: هسته بیرونی که مایع است و هسته داخلی که جامد می ماند.
هسته بیرونی از عمق حدود 2900 کیلومتری زیر سطح زمین شروع می شود و ضخامتی در حدود 2200 کیلومتر دارد. درون آن هسته داخلی قرار دارد که از عمق حدود 5150 کیلومتری شروع شده و شعاع آن حدود 1220 کیلومتر است.
دانشمندان تخمین می زنند که دمای هسته زمین تقریباً برابر با دمای سطح خورشید است. بر اساس این برآوردها دمای قسمت های داغ هسته بین حدود 5000 تا بیش از 5500 درجه سانتیگراد است. گمان می رود داغ ترین منطقه مرز بین هسته بیرونی و هسته داخلی باشد.
البته دمای هسته زمین هرگز به طور مستقیم اندازه گیری نشده است، زیرا انسان ها هنوز نتوانسته اند حتی به قسمت کوچکی از عمق هسته نفوذ کنند. عمیق ترین چاه ساخته شده توسط انسان، “کولا سوپردیپ چاه” در روسیه، تنها حدود 12 کیلومتر عمق داشت که در مقایسه با فاصله بیش از 6300 کیلومتری سطح زمین تا مرکز آن، ناچیز است.
در نتیجه، دانشمندان مجبور شده اند دمای هسته را با استفاده از روش های غیر مستقیم محاسبه کنند. یکی از مهم ترین سرنخ ها ترکیب شیمیایی هسته زمین است. تحقیقات نشان می دهد که مرکز زمین عمدتاً از آهن تشکیل شده و حدود 85 درصد آن را این فلز تشکیل می دهد. بقیه ترکیب هسته عمدتاً از نیکل و عناصر سبکتر تشکیل شده است.
دمای هسته زمین هرگز به طور مستقیم اندازه گیری نشده است زیرا انسان ها هنوز نتوانسته اند حتی به قسمت کوچکی از عمق هسته نفوذ کنند.
این مواد به شکل مایع در هسته بیرونی وجود دارند اما در هسته داخلی جامد هستند. دانشمندان این ویژگی ها را به طرق مختلف شناسایی کرده اند، از جمله مطالعه رفتار امواج لرزه ای ناشی از زلزله، بررسی ترکیب شهاب سنگ ها و انجام آزمایش های فیزیکی روی آلیاژهای آهن در فشارهای بسیار بالا.
امواج لرزه ای هنگام عبور از زمین رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند. برخی از امواج در بخشهایی از هسته منحرف میشوند یا حتی ناپدید میشوند. این رفتار به دانشمندان کمک کرده است تا بفهمند کدام بخش از درون زمین مایع و کدام بخش جامد است.
از آنجایی که هسته بیرونی زمین عمدتاً از آهن مایع تشکیل شده است، دمای آن باید بالاتر از نقطه ذوب آهن باشد. در شرایط عادی در سطح زمین، آهن خالص در دمای حدود 1538 درجه سانتیگراد ذوب می شود. اما شرایط در اعماق زمین کاملاً متفاوت است.
کوئنتین ویلیامز، فیزیکدان معدنی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، توضیح می دهد که فشار بسیار بالا در اعماق زمین، نقطه ذوب آهن و بسیاری از مواد دیگر را افزایش می دهد. به همین دلیل، هسته داخلی زمین با وجود دمای بسیار بالا جامد باقی می ماند، زیرا فشار آنقدر زیاد است که اجازه ذوب کامل را نمی دهد.
برای شبیه سازی شرایط هسته زمین، محققان آزمایش های پیچیده ای طراحی کرده اند. در برخی از این آزمایش ها، یک قطعه کوچک آهن به شدت بین دو الماس فشرده می شود. این ابزار Diamond Anvil Cell نام دارد و می تواند فشارهایی مشابه فشار زیرزمینی ایجاد کند. سپس با استفاده از لیزر، آهن را تا دمای بسیار بالا گرم می کنند تا دانشمندان بتوانند رفتار آن را مطالعه کنند. در روشهای دیگر، محققان از پرتابههای فوق سریع یا امواج ضربهای بسیار قدرتمند برای اعمال فشارهای عظیم بر روی نمونههای آهن استفاده میکنند تا شرایط خرد شدن در اعماق سیاره را بازسازی کنند.
با این حال، هنوز بسیاری از بخشهای هسته زمین برای ما ناشناخته است. شیچون هوانگ، استاد زمینشناسی در دانشگاه سان یات سن چین میگوید: «آنچه در مورد هسته زمین میدانیم، بیشتر بر اساس حدسهای علمی است. او توضیح می دهد که ما هنوز به طور کامل نمی دانیم که هسته داخلی چگونه تشکیل شد یا چگونه مواد مذاب به تدریج به حالت جامد تبدیل شد.
اگر این میدان مغناطیسی وجود نداشت، بادهای خورشیدی می توانستند به تدریج جو زمین را فرسایش دهند و شرایط زندگی را به شدت دشوار کنند. اتفاقی که احتمالا در گذشته برای سیاره مریخ رخ داده است.
گرمای داخلی زمین نیز سرنخ هایی از تاریخ شکل گیری این سیاره ارائه می دهد. زمانی که زمین تشکیل شد، برخورد و تجمع مواد مختلف باعث آزاد شدن انرژی عظیمی شد. انرژی ناشی از جاذبه گرانشی مواد به گرما تبدیل شد و بخشی از این گرما هنوز در داخل زمین باقی می ماند.
علاوه بر این، بسیاری از دانشمندان بر این باورند که در مراحل اولیه شکل گیری زمین، جسمی به اندازه سیاره مریخ با زمین جوان برخورد کرده است. این برخورد عظیم احتمالا گرمای فوق العاده ای را به داخل سیاره منتقل کرده و حتی در شکل گیری ماه نیز نقش داشته است.
برخی از محققان همچنین معتقدند که عناصر رادیواکتیو مانند پتاسیم، اورانیوم و توریم همچنان ممکن است در تولید بخشی از گرمای داخلی زمین نقش داشته باشند. با این حال، وجود این عناصر در اعماق هسته هنوز موضوع بحث علمی است.
دانشمندان می گویند زمین، برخلاف بسیاری از سیارات سنگی منظومه شمسی، توانسته است مقدار زیادی از گرمای اولیه خود را حفظ کند. این گرمای داخلی باعث شده است که زمین دارای ویژگی هایی مانند تکتونیک صفحه ای باشد. فرآیندی که طی آن صفحات پوسته زمین حرکت می کنند و مواد معدنی و مواد مغذی را از اعماق به سطح می آورند و محیط های متنوعی را برای شکل گیری و تکامل حیات ایجاد می کنند.
هوانگ نتیجه گیری می کند: “اگر به حیات اهمیت می دهید، باید به درون زمین نیز اهمیت دهید. این هسته بسیار داغ در مرکز سیاره ماست که ادامه حیات بر روی زمین را ممکن کرده است.”
